硬件电路设计之以太网电路设计

1 简介

以太网（Ethernet）接口是目前应用最广泛的通讯设备接口，以太网口的电磁兼容性能关系到通讯设备的稳定运行。实现以太网通信硬件电路方法很多，一般情况是CPU+MAC+PHY+网络变压器+RJ45。

• CPU：中央处理器,主要负责数据的处理。
• MAC:媒体访问控制层，通常由FPGA实现。
• PHY：物理层接口，物理层收发器，是一个AD/DA转换器。

以太网根据不同的速率，可以划分为以下几类：

序号	种类	速率
1	经典以太网	3~10Mbps
2	交换式以太网	快速以太网
千兆以太网	1000Mbps
万兆以太网	10000Mbps

正是由于以太网的存在，从真正意义上实现万物互联。

2 RJ45连接器

RJ45的全称是注册的插座，其中RJ是Registered Jack的缩写。

• 百兆以太网

RJ45 接口定义以及各引脚功能说明如下图所示，在以太网中只使用了 1、2、3、6 这四根线，其中 1、2 这组负责传输数据（TX+、TX-），而 3、6 这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。

• 千兆以太网

RJ45 接口定义以及各引脚功能说明如下图所示，在以太网中只使用了 1、2、3、4、5、6、7、8 这四根线，其中 1、2 这组负责传输数据（TX+、TX-），3、6 这组负责接收数据（RX+、RX-），4、5和7、8这两组负责双向数据传输。

网口一般有两个LED信号指示灯，两个LED用于指示通信状态：

• 绿色

绿色为连接状态指示灯，绿色灯常亮表示连接成功，不亮表示未连接成功。

• 黄色

黄色指示灯闪烁，表示当前有信号传输；黄色指示灯不闪烁，表示当前无信号传输。

有些RJ45内部集成了网络变压器，有些RJ45需要外置网络变压器。网络变压器可以分为百兆网口网络变压器和千兆网口网络变压器。

• 百兆RJ45网络变压器

有两组变压器，内部结构如图所示。

• 千兆RJ45网络变压器

有四组变压器，内部结构如图所示。

3 电流型PHY和电压型PHY

根据PHY的类型不同，中心抽头的连接方式也不同：

• 电流型PHY

中心抽头连接VCC（PHY的电源电压），详情见下图：

• 电压型PHY

中心抽头接对地电容，详情见下图：

4 接口介绍

媒体访问控制层（MAC）和媒体访问控制层（PHY）之间常有一个接口，该接口常用MII、RMII、GMII、RGMII。

• MII

MII支持10Mbps和100Mbps（时钟频率对应为25Mhz）,数据位宽为4。

信号名称	描述	方向
TX_CLK	发送时钟	PHY → MAC
TX_ER	发送数据错误	MAC → PHY
TX_EN	发送使能	MAC → PHY
TXD0	发送数据位0（最先传输）	MAC → PHY
TXD1	发送数据位1	MAC → PHY
TXD2	发送数据位2	MAC → PHY
TXD3	发送数据位3	MAC → PHY
RX_CLK	接收时钟	PHY → MAC
RX_DV	接收数据有效	PHY → MAC
RX_ER	接收数据错误	PHY → MAC
RXD0	接收数据位0（最先传输）	PHY → MAC
RXD1	接收数据位1	PHY → MAC
RXD2	接收数据位2	PHY → MAC
RXD3	接收数据位3	PHY → MAC
CRS	载波监测	PHY → MAC
COL	冲突碰撞监测	PHY → MAC
MDIO	管理数据	双向
MDC	管理数据时钟	MAC → PHY

• RMII

数据位宽为2位，传输速率为100Mbps，对应的是时钟频率为125Mhz。

信号名称	描述	方向
REF_CLK	参考时钟	MAC→PHY或由外部时钟源提供
TX_EN	发送数据使能	MAC → PHY
TXD0	发送数据位0（最先传输）	MAC → PHY
TXD1	发送数据位1	MAC → PHY
RX_ER	接收错误	PHY → MAC
RXD0	接收数据位0（最先传输）	PHY → MAC
RXD1	接收数据1	PHY → MAC
CRS_DV	载波和接收数据有效	PHY → MAC
MDIO	管理数据	双向
MDC	管理数据时钟	MAC → PHY

• GMII

数据速率支持10Mbps、100Mbps、1000Mbps，数据位宽为8位，其中在1000Mbps时，其时钟为120Mhz。

信号名称	描述	方向
GTX_CLK	1000M发送时钟	MAC → PHY
TX_CLK	100/10M发送时钟	MAC → PHY
TX_ER	发送数据错误	MAC → PHY
TX_EN	发送使能	MAC → PHY
TX_[7:0]	发送数据8bit	MAC → PHY
RX_CLK	接收时钟	PHY → MAC
RX_DV	接收数据有效	PHY → MAC
RX_ER	接收数据错误	PHY → MAC
RX_[7:0]	接收数据8bit	PHY → MAC
CRS	载波监测	PHY → MAC
COL	冲突碰撞监测	PHY → MAC
MDIO	管理数据	双向
MDC	管理数据时钟	MAC → PHY

• RGMII

数据位宽位为4，在1000Mbps时，对应的始终频率为125Mhz，这种方式是在上升沿和下降沿同时进行采样。

信号名称	描述	方向
TXC	发送时钟	MAC→PHY
TX_CTL	发送数据控制	MAC → PHY
TXD[3:0]	发送数据4bit	MAC → PHY
RXC	接收时钟	PHY → MAC
RX_CTL	接收数据控制	PHY → MAC
RXD[3:0]	接收数据4bit	PHY → MAC
MDIO	管理数据	双向
MDC	管理数据时钟	MAC → PHY

注意：RMII是MII的简化版；RGMII是GMII的简化版。

5 以太网电路实战

此处以RTL8211E和DP83848J设计为例。

• RTL8211E电路设计

• DP83848J电路设计